3 Лабораторная работа № 3. Первичные цифровые системы передачи
Цель работы. Целью выполнения лабораторной работы является изучение 30-канальной первичной цифровой системы передачи.
Теоретическая справка.
Объектом изучения является система типа ИКМ–30.
В процессе выполнения работы студент должен изучить принцип формирования цифрового канала системы, его основные параметры, усвоить принципы и способы преобразований сигналов в аппаратуре ЦСП, их дискретизации, квантования по уровню и кодирования, ознакомиться со структурными схемами аппаратуры и отдельных ее узлов, конструктивными особенностями оборудования аппаратуры.
Технические данные аппаратуры и состав оборудования.
Первичная цифровая система передачи ИКМ–30с–4 предназначена для работы на сельских сетях по одночетверочным симметричным подвесным и подземным кабелям типа КСПП (КСППБ) с жилами d = 0,9 (1,2) мм по однокабельной схеме.
Система обеспечивает организацию:
тридцати стандартных телефонных каналов (от 300 Гц до 3400 Гц) в качестве соединительных и абонентских линий;
двух каналов передачи сигналов управления и взаимодействия (СУВ) постоянным током для каждого телефонного канала;
одного двустороннего канала вещания вместо четырех телефонных каналов;
передачи дискретной информации;
выделения 12 каналов из линейного тракта;
дистанционного обслуживания и контроля оборудования.
В системе используется временное разделение каналов [2].
Скорость передачи линейного сигнала (импульсов цифрового сигнала) 2048 кбит/с, что соответствует тактовой частоте 2048 кГц. Используемый код ЧПИ или МЧПИ. Амплитуда импульсов цифрового сигнала ± (3 ± 0,3) В на сопротивлении нагрузки 120 Ом.
Дальность действия связи 220 км. Длина участка между обслуживаемыми пунктами ОРП–ОРП и ОП–ОРП 90 км (длина секции ДП 45 км) и 110 км (длина секции ДП 55 км) при использовании кабеля соответственно d = 0,9 и 1,2 мм. Длина регенерационного участка составляет 2 – 4 км. Затухание его на полутактовой частоте 1024 кГц не должно превышать 36 дБ. Максимальное число НРП между двумя питающими станциями 24.
Максимальное напряжение ДП 240 В, ток ДП 50 ± 5 мА.
Напряжение источника постоянного тока для питания аппаратуры от 54 В до 72 В. При организации связи на базе системы передачи ИКМ–30с–4 (рисунок 4) предусматриваются - центральная станция, оконечная станция, станция выделения каналов и необслуживаемые регенерационные пункты.
Аппаратура системы содержит:
АЦО–11 - блок аналого-цифрового оборудования;
ОКО–14 - блок оборудования канальных окончаний;
ОЛT–I4 - блок оборудования линейного тракта;
УСО–01 - блок унифицированного сервисного оборудования;
ОРЦ–11 - блок оборудования разветвления;
НРП - необслуживаемый регенерационный пункт.
Все перечисленные блоки размещаются на стоечных каркасах. Исключение составляет оборудование НРП. Оно располагается в металлическом шкафу–контейнере, который устанавливается на опорах воздушных линий связи или специальных опорах подземных линий связи.
При помощи цифрового оборудования (блок АЦО–11) формируется групповой цифровой сигнал, при передаче, и осуществляется образование канальных сигналов, при приеме. Оно может использоваться самостоятельно в качестве каналообразующего оборудования других систем передачи [2].
Рисунок 4 - Схема организации связи с применением аппаратуры ИКМ–30 с–4
В индивидуальную часть каждого канала входят передающий и приемный LC-фильтры нижних частот, амплитудно-импульсный модулятор, временной селектор, согласующие и усилительные каскады.
Основными узлами групповой части оборудования являются аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи.
В групповую часть блока входят также устройства цифрового оборудования (ЦО) передачи и приема. К первым относятся:
задающий генератор (2048000 ± 70 Гц);
формирователи импульсных последовательностей, циклового синхросигнала и группового цифрового сигнала.
Ко вторым относятся:
приемник циклового синхросигнала;
схемы поиска, поддержания и контроля синхронизма;
приемники вспомогательных сигналов;
формирователи импульсных последовательностей.
В оборудование внешнего стыка (ВС) блока входят:
преобразователи кода приема и передачи;
схемы выделения тактовой частоты;
приемник сигнала.
Блок содержит устройства для контроля исправности и состояния оборудования (КC) [2].
Оборудование канальных окончаний (блок ОКО–14) обеспечивает использование каналов ТЧ в качестве межстанционных и абонентских линий. При помощи его каналы ТЧ могут работать как в двупроводном (с остаточным затуханием 7 дБ), так и в четырехпроводном (с уровнями на входе и выходе –3,5 дБ). Помимо этого оборудование позволяет организовать входы и выходы двух сигнальных каналов на каждый канал ТЧ. По сигнальным каналам передаются сигналы управления и взаимодействия (СУВ) между АТС.
При помощи оборудования линейного тракта (блок ОЛТ–14) обеспечиваются передача и прием линейного цифрового сигнала, регенерация (восстановление) сигнала, сигнализация в случае повышения коэффициента ошибок принимаемого сигнала, дистанционное питание НРП, организация служебной связи, передача и прием сигналов дистанционного обслуживания, возможность измерения параметров кабеля.
Унифицированное сервисное оборудование (блок УСO–01) входит в состав системы обслуживания и контроля работы аппаратуры. Блок УСО–01 автоматически проверяет все блоки аппаратуры, посылая в каждый из них только один запрос (00). Один цикл обзора (от адреса 00 до адреса 99) составляет около 100 мс. Если при обзоре возникает аварийная ситуация, то в соответствующий блок посылается серия запросов (01, 02, ... 0,14), после чего в УСО–01 поступает информация о конкретной неисправности.
При помощи оборудования цифрового разветвления — блок (ОРЦ–11) из линейного цифрового сигнала выделяются до 12 каналов ТЧ и относящиеся к ним сигнальные каналы.
Линейный цифровой сигнал от центральной станции к оконечной проходит без изменения, и сигналы, необходимые для выделения, ответвляются из него на станции выделения параллельно.
Цифровой сигнал обратного направления очищается в соответствующих канальных интервалах и разрядах КИ16 и вместо них вводятся сигналы каналов станции выделения.
На станции выделения имеется задающий генератор, синхронизируемый от сигнала оконечной станции [2].
Оборудование для передачи в сторону центральной станции формирует полный цикл временного спектра цифрового сигнала, в том числе цикловый и сверхцикловый синхросигналы. Установка фазы генераторного оборудования станции производится синхросигналами (цикловым и сверхцикловым), выделяемыми из линейного сигнала, приходящего от оконечной станции.
Посредством устройств необслуживаемых регенерационных пунктов НРП обеспечивается:
восстановление линейного цифрового сигнала, передаваемого в обоих направлениях;
прием дистанционного питания, управляющего сигнала телеконтроля;
организация служебной связи;
возможность измерений параметров кабеля и др.
Формирование цифрового сигнала.
Цифровой сигнал в первичной системе передачи ИКМ–30 формируется на основе импульсно-кодовой модуляции. Его образование можно разделить на три операции. Сначала первичный сигнал С(t) дискретизируется (квантуется по времени), т.е. превращается в амплитудно-импульсно-модулированный сигнал (САИМ). Затем этот сигнал квантуется по амплитуде (уровню) и, наконец, квантовый сигнал (СКВ) кодируется при помощи равномерного двоичного кода. В итоге образуется цифровой, или ИКМ–сигнал (СКД), представляющий собой поток двочных символов. Таким образом, весь процесс аналого-цифрового преобразования сигнала в ЦСП можно представить в следующем виде (рисунок 5) [2].
Рисунок 5 - Процесс аналого-цифрового преобразования
Дискретизация первичного сигнала.
Преобразование первичного сигнала в АИМ-сигнал необходимо, чтобы обеспечить возможность временного уплотнения группового тракта системы передачи.
Из рисунка 6 видно, что в образовавшиеся интервалы времени между ближайшими импульсами одного канала передаются импульсы других каналов системы. Процесс дискретизации первичного сигнала осуществляется при помощи амплитудно-импульсного модулятора — электронного реле, которое управляется посредством последовательности прямоугольных импульсов [2].
Рисунок 6 - Принцип временного разделения каналов в ЦСП
Она характеризуется следующими параметрами:
А - высота (амплитуда импульса);
tu - длительность (ширина импульса);
Тд - период дискретизации или следования импульса;
tк = кТд - фаза или временное положение импульсов;
к = 0, ±1, ± 2, ... — тактовые точки на оси времени, или моменты появления импульсов;
fд= 1/Тд — частота дискретизации, или частота следования импульсов;
S = Тд / tu — скважность.
При воздействии первичным сигналом на последовательность импульсов в модуляторе образуется АИМ–сигнал, амплитуда которого изменяется по огибающей, соответствующей кривой изменения первичного сигнала. Различают два вида амплитудно-импульсной модуляции — первого и второго рода (АИМ–I и АИМ–II). При АИМ–I вершины импульсов изменяются в соответствии с огибающей кривой первичного сигнала, при АИМ–II огибающая — горизонтальная линия с ординантой, соответствующей значению сигнала в тактовой точке. Различия между ними хорошо видны на рисунке 7, б и в.
а — последовательность управляющих импульсов;
б — при АИМ–I;
в — при АИМ–II.
Рисунок 7 - Формы дискретных сигналов
Структурная схема аппаратуры.
Упрощенная структурная схема оконечной станции ЦСП показана на рисунке 8. Рассмотрим работу станции и назначение ее отдельных узлов. Первичный (телефонный) сигнал от абонента через дифференциальную систему ДС, ограничитель амплитуд (на схеме не показан) поступает на вход фильтра нижних частот ФНЧ. При помощи этого фильтра спектр частот телефонного сигнала ограничивается сверху частотой 3,4 кГц. Далее этот сигнал поступает на индивидуальный модулятор АИМ – 1, представляющий собой электронный ключ «Кл». Работой ключа управляет канальная импульсная последовательность, подаваемая от генераторного оборудования передачи ГОпер. Импульсные последовательности каналов сдвинуты по времени друг относительно друга на величину канального интервала (рисунок 8) [12].
Рисунок 8 - Структурная схема оконечной станции ЦСП
Выходы электронных ключей всех каналов запараллелены и включены в общий групповой такт системы. Образовавшийся в нем групповой АИМ–I — сигнал поступает на групповой модулятор АИМ–II, при помощи которого верхушки импульсов сигнала делаются плоскими и горизонтальными.
Кроме того, увеличивается ширина импульсов.
В аппаратуре ЦСП модулятор АИМ–II входит в состав кодера. Затем в кодере производится квантование и кодирование каждого импульса АИМ–II-сигнала. Одновременно с этим осуществляется сжатие динамического диапазона сигнала в соответствии с описанной выше характеристикой компрессии.
На выходе кодера возникает групповой цифровой АИМ–сигнал. Он представляет собой последовательность восьмиразрядных кодовых групп, состоящих из импульсов и пробелов. В этот сигнал через устройства объединения УО вводятся сигналы СУВ цикловой и сверхцикловой синхронизации.
Цифровые сигналы СУВ формируются в передатчике ПСУВ из сигналов управления и взаимодействия, поступающих от АТС. Сигналы цифровой синхронизации образуются в передатчике синхросигналов ПС. На выходе устройства УО возникает групповой однополярный сигнал. Передавать в линию однополярный сигнал нецелесообразно по ряду причин, например из-за невозможности включения в нее трансформаторов. Поэтому однополярный сигнал предварительно преобразуется в биполярный с чередованием полярности импульсов (код ЧПИ).
Преобразование однополярного сигнала в биполярный производится в преобразователе кода передачи ПКП. Полученный биполярный сигнал поступает в станционный регенератор СтР, в котором приводятся в норму все его характеристики, и передается в линию.
В процессе распространения по линии цифровой сигнал искажается (меняются амплитуда и ширина, форма и временное положение импульсов). Для восстановления его характеристик служат линейные регенераторы ЛР.
Управление работой всех узлов передающей части аппаратуры осуществляется посредством импульсных последовательностей, вырабатываемых в генераторном оборудовании передачи ГОпер.
На приемной станции после регенерации в станционном регенераторе СтР цифровой сигнал подвергается обратным относительно передающей станции преобразованиям [12].
В преобразователе кода приема ПКпр сигнал преобразуется из биполярного в однополярный и поступает в устройство разделения УР. В нем различные по назначению сигналы распределяются по своим цепям. Телефонные сигналы поступают в декодер, синхросигналы — в приемник синхросигналов ПрС, а сигналы управления и взаимодействия — в приемник ПрСУВ.
Равенство скоростей обработки сигналов на приемной и передающей станциях поддерживается при помощи сигнала тактовой частоты. Сигналы тактовой частоты выделяются из цифрового потока, поступающего на приемную станцию, и подаются в генераторное оборудование приема ГОпр, обеспечивая его синхронную работу относительно ГОпер (своего задающего генератора ГОпр не имеет).
Правильное распределение сигналов (синфазность) по телефонным каналам и каналам СУВ обеспечивается посредством синхросигналов в цикловой и сверхцикловой синхронизации.
Телефонный цифровой сигнал поступает в декодер, в котором последовательность кодовых групп преобразуется в последовательность импульсов (отсчетов), восстанавливаются групповой АИМ–II–сигнал, а также его динамический диапазон. С выхода АИМ–II–сигнал подается на общий вход канальных временных селекторов, при помощи которых из него выделяются импульсы — отсчеты канальных сигналов.
Из последовательности импульсов, поступающих на фильтр нижних частот ФНЧ2 канала, в нем восстанавливается первичный (телефонный) сигнал. Последний усиливается усилителем нижних частот УНЧ и, пройдя через дифференциальную систему ДС, поступает к абоненту.
Сигналы СУВ из цифрового сигнала поступают в приемник ПрСУВ, где они преобразуются, а затем передаются на АТС [12].
Кодер и декодер. В кодере отсчеты передаваемого сигнала преобразуются в соответствующие двоичные кодовые группы.
В изучаемой аппаратуре используются кодеры взвешивающего типа. Принцип кодирования по способу взвешивания (сравнения) подробно описан выше.
Упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа представлена на рисунке 9. На ней показаны основные узлы кодера:
компаратор К, определяющий знак разности между значениями токов отсчетов J и эталонов Jэт;
блок выбора и коммутации эталонных токов в БКЭ;
компрессирующая логика КЛ (цифровой эспандер), обеспечивающая неравномерное квантование АИМ–сигнала;
генераторы положительных и отрицательных эталонных токов ГЭТ1 и ГЭТ2, формирующие полярность и величину эталонов (число эталонов, вырабатываемых каждым из генераторов, равно 11, их значения равны ∆, 2∆, 4∆, ... 1024∆ условных единиц);
цифровой регистр ЦР, используемый для записи решений компаратора после каждого такта кодирования и формирующий структуры кодовой группы (в зависимости от решения компаратор выбирает пoляpнocть ГЭТ и управляет работой компенсирующей логики);
преобразователь кода ПК, посредством которого считывается состояние выходов 1 ... 8ЦР, и параллельный код преобразуется в последовательный.
Поясним кратко взаимодействие узлов кодера при формировании кодовой группы.
В исходном положении, то есть когда нет отсчета на входе компаратора, все выходы ЦР находятся в состоянии 0, эталонные токи равны нулю. При поступлении на вход 1 компаратора положительного отсчета первый выход ЦР переводится в состояние 1, благодаря чему включается ГЭТ1. При этом ток эталона на входе 2 компаратора будет равен нулю. Поскольку J > Jэт, то на выходе 3 компаратора формируется 0 (пробел) и состояние 1 на выходе 1 ЦР сохраняется. На этом заканчивается первый этап кодирования [12].
Рисунок 9 - Структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа
На втором этапе определяется и кодируется номер сегмента, в пределах которого и находится значение поступившего отсчета. Этот этап включает в себя три такта и начинается с того, что выход 2 ЦР переводится в состояние 1, а на вход 2 компаратора поступает эталонный ток Jэт = 128∆ условных единиц.
При J > Jэт на выходе компаратора возникает 0, и состояние 1 на выходе 2 ЦР сохраняется.
При J < Jэт на выходе компаратора возникает 1, а состояние 1 на выходе 2 ЦР переходит в состояние 0.
Аналогичным образом кодер работает и при последующих тактах второго этапа кодирования, а также при четырех тактах третьего этапа, когда определяется и кодируется номер уровня отсчета в пределах сегмента. По мере завершения тактов кодирования, преобразователь кода считывает состояния 1 ... 8 выходов ЦР, преобразуя параллельный код в последовательный, и в итоге на выходе кодера возникает кодовая группа данного отсчета [12].
Отсчет передаваемого сигнала восстанавливается из кодовой группы при помощи декодера. Упрощенная структурная схема декодера показана на рисунке 10.
Рисунок 10 - Структурная схема декодера
Это нелинейный декодер взвешивающего типа с цифровым эспандированием эталонов. В состав декодера входят цифровой регистр ЦР, блок экспандирующей логики ЭЛ, блок выбора и коммутации эталонных токов БКЭ и генераторы эталонных токов положительной и отрицательной полярностей ГЭТ1 и ГЭТ2.
Восьмиразрядная кодовая группа ИКМ–сигнала, поступившая на вход декодера, записывается в ЦP, формируясь на его выходах 1 ... 8 в виде параллельного кода. Первый разряд этой группы определяет полярность включаемого ГЭТ.
Последующие 2 ... 8 разряды определяют номер сегмента и уровень квантования на характеристике эспандирования [12].
Генераторное оборудование. Генераторное оборудование (рисунок 11) в аппаратуре ЦСП служит для формирования последовательностей импульсов, необходимых для управления работой функциональных узлов аппаратуры.
Рисунок 11 - Структурная схема генераторного оборудования
Они определяют порядок и скорость обработки сигналов в каналах и групповых трактах системы передачи. Генераторное оборудование содержит задающий генератор тактовой частоты (на передающей станции) или выделитель тактовой частоты (на приемной станции), формирователь тактовой последовательности импульсов, распределители - разрядный, канальный и цикловый.
Задающий генератор вырабатывает высокостабильный гармонический сигнал тактовой частоты fт, который затем при помощи формирователя ФТП преобразуется в основную импульсную последовательность тактовой частоты 2048 кГц со скважностью, равной 2. Далее при помощи деления частоты из нее формируются все необходимые для работы аппаратуры последовательности импульсов [12].
Регенератор. Достоинством цифровой системы передачи является ее способность регенерировать (восстанавливать) сигнал в процессе его передачи по линии связи. Восстановление цифрового сигнала осуществляется при помощи регенераторов, включаемых в линию через определенные интервалы.
При передаче по линии цифровой сигнал искажается, изменяются его параметры. Это происходит вследствие особенностей электрических характеристик линии связи и наличия в ней помех. Изменяются форма, амплитуда и ширина импульсов, фазовое положение их друг относительно друга.
Так, за счет неравномерности амплитудно-частотной характеристики такта передачи возникают так называемые искажения импульсов I и II рода. Искажения I рода создаются за счет ограничения полосы частот передачи сверху, а искажения II рода за счет ограничения полосы частот снизу [12].
Содержание отчета по лабораторной работе.
Название и цель работы.
Основные технические данные изучаемой аппаратуры ИКМ–30с–4.
Структурная схема оконечной станции с краткими пояснениями назначения основных узлов.
Структурные схемы кодера и декодер с краткими пояснениями назначения узлов.
Пояснение выполненного кодирования заданного отсчета;
Выводы по результатам исследований.
Список использованных источников.
Контрольные вопросы.
1. Какую иерархию систем передачи образуют существующие ЦСП и в чем их особенности?
2. Каковы перспективы применения ЦСП и развития сетей цифровой связи на железнодорожном транспорте?
3. В чем состоит сущность и практическое значение теоремы Котельникова?
4. Как формируется цифровой сигнал на основе импульсно-кодовой модуляции?
5. Для чего требуется дискретизация первичных сигналов и как она осуществляется?
6. Для какой цели квантуются сигналы по уровню и какие существуют виды квантования?
7. Что такое сжатие динамического диапазона сигналов и какую амплитудную характеристику должен иметь сжиматель, чтобы оно происходило?
8. Что такое межсимвольные помехи и чем они вызваны?
9. Что представляет собой временной спектр системы ИКМ–30с–4 и какие основные элементы в него входят?
10. Для чего применяется кодирование сигналов в ЦСП и каким способом оно производится?
11. Для какой цели в передающий и приемный тракты каналов ТЧ включаются фильтры нижних частот?
12. Какие требования предъявляются к линейному цифровому сигналу?
13. Какие виды синхронизации применяются в ЦСП и как она осуществляется?
I4. Какими основными параметрами характеризуются цифровые системы передачи?
16. Как устроен регенератор и какие основные операции в нем производятся?
17. Сколько двоичных символов содержит кодовая группа цифрового сигнала и какую роль они выполняют?
18. Чем и как обеспечивается высокая помехозащищенность цифрового сигнала?
19. В чем состоят основные особенности, достоинства и недостатки цифровых и аналоговых систем передача?
20. Какими характеристиками оценивается качество передачи по каналам ТЧ?